專利名稱：一種低電壓穿越改善裝置及其控制方法
技術領域：
本發明屬于風力發電技術領域，涉及一種低電壓穿越改善裝置及其控制方法。
背景技術：
近年來風力發電快速發展，隨著風力發電裝機容量的不斷擴大，風力發電系統對電網的影響也越來越大。電網發生電壓跌落時風機的低電壓穿越問題最為重要，也是對電網影響最大的問題之一。當電網發生電壓跌落時，如果風機的低電壓穿越能力不達標，就會發生大量風機切機事故，會導致系統潮流的大幅變化，甚至會引起大面積停電。為此，國家電網公司接連針對風力發電發布通告和意見，對風力發電的并網安全提供了指導，并作出了多項強制規定，其中風機的低電壓穿越問題作為重要的因素被多次提及。所謂風機的低電壓穿越功能，即當電網故障或擾動引起風電場公共接入點電壓跌落時，在一定時間和電壓跌落范圍內，風力發電機組仍然能夠不脫離電網，保持不間斷并網運行，實現對風力發電機組設備的保護并維持電網的穩定性。目前，主流風機在入網之前都要提供權威部門出具的風機低電壓穿越檢測報告， 而一些早期風機(尤其是850kW以下容量)的低電壓穿越能力不滿足標準要求。為實現早期機組低電壓穿越功能，需要對原機組加裝低電壓穿越功能輔助設備。提高風力發電機組的低電壓穿越能力原理上講就是迅速把電壓跌落對風力發電機組的影響減到最小，抑制風機在發生電壓跌落時的電壓和電流沖擊，并使風機發出的有功功率能及時地輸送出去。其中如何快速有效的為風機發出的有功功率提供一個瀉放通道成為最為關鍵的問題。
發明內容
(一)技術問題本發明所要解決的技術問題是，克服現有技術的缺點，提供一種令風力發電機組在系統故障情況下不脫網，能夠持續并網發電的用于實現風電機組低電壓穿越能力的裝置。( 二 )技術方案本發明公開了一種低電壓穿越改善裝置，該改善裝置包括一個控制器、一個進線斷路器、一個出線斷路器、一個快速切換開關、一個旁路開關、一個隔離回路、一個吸能回路和一個促同步回路，該控制器分別與該進線斷路器、該出線斷路器、該快速切換開關、該旁路開關、該吸能回路及該促同步回路相連，該進線斷路器、該隔離回路和該出線斷路器依次串接于風機和電網間，該快速切換開關并聯于該隔離回路的兩端，該旁路開關并聯于該進線斷路器的上口和該出線斷路器的上口，該吸能回路以及該促同步回路還連接在該隔離回路與該出線斷路器的下口的連線上，該控制器，用于監測該電網的電壓和電流以及該風機的電壓和電流，還用于控制該進線斷路器、該出線斷路器、該快速切換開關、該旁路開關的閉合與斷開，及控制該吸能回路和該促同步回路的啟動與停止，該進線斷路器和該出線斷路器，用于當該改善裝置發生故障或低電壓穿越k內未結束時，把該改善裝置與該風機和該電網隔離開，該快速切換開關，用于發生低電壓穿越之時，投切該隔離回路，該旁路開關，用于當該改善裝置發生故障之時，旁路該改善裝置，該隔離回路，用于發生低電壓穿越之時，隔離該風機以及該電網間的潮流，并保持該風機和該電網間的弱連接，該吸能回路，用于消耗掉該風機所發出的有功功率，維持該風機的電壓穩定，該促同步回路，用于同步該電網和該風機的電壓相位。進一步，該吸能回路包括一個半導體回路以及一個負載，該半導體回路分別連接該控制器和該負載。進一步，該半導體回路為晶閘管整流橋或二極管整流橋加IGBT軟開關。進一步，該負載為電阻或電機。進一步，該促同步回路為靜止同步補償器或TCR型靜止無功補償器。進一步，該快速切換開關和該旁路開關為快速永磁開關、接觸器、斷路器或晶閘管。本發明還公開了一種低電壓穿越改善裝置的控制方法，該控制方法包括如下步驟步驟1，閉合進線斷路器、出線斷路器和快速切換開關，斷開旁路開關，該裝置被投入電網和風機間，步驟2，熱備用，控制器不間斷地監測該電網的電壓和電流、該風機的電壓和電流及該進線斷路器、該出線斷路器、該快速切換開關和該旁路開關的開關狀態，步驟3，當該控制器檢測到該電網任意一相電壓低于所述電網的額定電壓的90% 時，低電壓穿越發生，該控制器啟動吸能回路，由該吸能回路消耗掉該風機發出的有功功率，同時，啟動促同步回路，使該風機的電壓和該電網的電壓的相位差為零，此外，斷開該快速切換開關，將隔離回路投入，保持該風機和該電網間的弱連接，步驟4，該控制器檢測該電網的任一相電壓是否在2s內均高于所述電網的額定電壓的90%，如果是，執行步驟5，否則，執行步驟6，步驟5，低電壓穿越k內結束，將該快速切換開關閉合，之后，停止該吸能回路和該促同步回路的工作，該風機經過該出線斷路器、該快速切換開關和該進線斷路器向該電網輸送有功功率，步驟6，低電壓穿越k內未結束，斷開該進線斷路器以及該出線斷路器，該裝置退出運行，該風機也退出運行。進一步，在執行步驟2至步驟5的過程中，該控制器還檢測該改善裝置是否發生內部故障或需檢修，如果是，閉合該旁路開關，斷開該進線斷路器和該出線斷路器，該改善裝置退出運行，該風機通過該旁路開關正常向該電網供電，否則繼續執行步驟2至步驟5。進一步，該吸能回路包括一個半導體回路和一個負載，該控制器通過該半導體回路，控制該負載消耗掉該風機所發出的有功功率。(三)有益效果
本發明的有益效果在于，當電網系統電壓跌落，發生低電壓穿越時，低電壓穿越改善裝置的吸能回路可以吸收風機發出的有功功率，使風機輸送到電網的有功功率下降，由于風機的機械功率基本不變，避免了過剩功率在風機內部消耗導致的風機轉子加速、過流、 失磁、電磁轉矩突變等一系列問題；此時，促同步回路調整風機的端電壓，使之與電網電壓同步，避免了系統電壓恢復過程中對電網造成沖擊。從而使得在低電壓穿越發生時，風機可以不脫離電網，保持不間斷地并網運行，實現對風力發電機組設備的保護并維持電網的穩定性。
圖1為低電壓穿越改善裝置的結構示意圖。圖2為吸能回路的結構示意圖。圖3為晶閘管整流橋方式吸能回路的電路示意圖。圖4為二極管整流橋加IGBT軟開關方式吸能回路的電路示意圖。圖5為低電壓穿越改善裝置的控制方法的流程圖
具體實施例方式本發明的低電壓穿越改善裝置及其控制方法，結合附圖和實施例詳細說明如下。如圖1所示，本發明公開的低電壓穿越裝置101，包括一個控制器102、一個進線斷路器103、一個出線斷路器104、一個快速切換開關105、一個旁路開關106、一個隔離回路 107、一個吸能回路108以及一個促同步回路109，控制器102分別與進線斷路器103、出線斷路器104、快速切換開關105、旁路開關106、吸能回路108及促同步回路109相連，進線斷路器103、隔離回路107和出線斷路器104依次串接于風機和電網間，快速切換開關105并聯于隔離回路107的兩端，旁路開關并聯于進線斷路器103的上口和出線斷路器的上口，吸能回路108以及促同步回路109還連接在隔離回路107和出線斷路器104的下口的連線上， 其中，進線斷路器103和出線斷路器104，主要用于當改善裝置101發生故障時，把改善裝置 101與風機和電網隔離開；快速切換開關105，用于發生低電壓穿越時，投切隔離回路107， 由于采用的是快速開關，特點是動作速度快，因此能夠在發生低電壓穿越之時快速響應，旁路開關106，用于當改善裝置101發生故障之時，旁路改善裝置101，通過旁路開關106連接風機和電網，使得此時風機和電網仍可以正常工作，快速切換開關105和旁路開關106可以為快速永磁開關、接觸器、斷路器、晶閘管或者任意兩者的組合；隔離回路107，用于發生低電壓穿越之時，隔離風機和電網間的潮流，其特點是可以保持風機和電網間的弱連接，隔離回路107可為電阻、電感或其組合；吸能回路108，用于低電壓穿越時，消耗掉風機發出的有功功率，維持風機的電壓穩定，吸能回路108的構成將在下文詳細敘述；促同步回路109，用于向風機發送無功功率，同步電網和風機的電壓相位，從而避免低電壓穿越結束時對風機和電網的電流沖擊，此外還可對風機進行無功補償，促同步回路109可為靜止同步補償器 (SVG)或TCR型靜止無功補償器(SVC)，還可以為晶閘管投切電容器、分組投切電容器等動態無功補償裝置。參見圖2，本發明改善裝置101中的吸能回路108主要由半導體回路201和負載 202構成，半導體回路201與負載202相連，吸能回路108通過半導體回路201與控制器102
6相連，其中半導體回路201為晶閘管整流橋或二極管整流橋加IGBT軟開關，還可以為IGBT 整流橋、GTO整流橋或雙向晶閘管電路等，而負載202為電阻、電機或其它可以消耗能量的元件，由于采用了 IGBT等半導體器件，吸能回路108有著控制靈活、響應迅速、精度高等特
點ο圖3所示為晶閘管整流橋式吸能回路，由晶閘管Tl T6組成的晶閘管整流橋構成吸能回路的半導體回路部分，該吸能回路的A、B、C端子連接至隔離回路和出線斷路器下口的連線上，晶閘管Tl T6負責將交流信號轉換為直流信號，晶閘管Tl T6中的每個晶閘管的門極均與控制器102相連，由控制器102控制晶閘管Tl T6的導通或者截止，從而控制負載電阻R消耗風機所發出的有功功率。圖4所示為二極管整流橋加IGBT軟開關式吸能回路，由二極管Dl D6組成的二極管整流橋及IGBT軟開關構成了吸能回路的半導體回路部分，該吸能回路的A、B、C端子連接至隔離回路和出線斷路器下口的連線上，二極管Dl D6負責將交流信號轉換成為直流信號，IGBT軟開關的門極與控制器102相連，由控制器102控制IGBT軟開關的導通或者截止，從而控制負載電阻R消耗風機所發出的有功功率。本發明還公開了一種低電壓穿越改善裝置的控制方法，結合低電壓穿越改善裝置 101，對該控制方法的過程描述如下步驟1，低電壓穿越改善裝置101自檢合格、與電網和風機物理連接后，通過控制器102閉合進線斷路器103、出線斷路器104以及快速切換開關105，并保證旁路開關106 處于斷開狀態，低電壓穿越改善裝置101被投入電網和風機間。步驟2，經過步驟1，低電壓穿越改善裝置101進入熱備用狀態，低電壓穿越改善裝置101進入此狀態之時，風機的有功功率經過出線斷路器104、快速切換開關105和進線斷路器103流入電網，控制器102不間斷地監測電網的電壓和電流、風機的電壓和電流及進線斷路器103、出線斷路器104、快速切換開關105和旁路開關106的開關狀態等。步驟3，當控制器102檢測到電網任意一相電壓低于所述電網的額定電壓的90% 時，控制器102啟動吸能回路108，控制半導體回路201的導通或者截止，經半導體回路201 將交流信號轉換成直流信號后，由負載202消耗掉風機發出的有功功率；同時，控制器102 通過控制促同步回路109，向風機輸出無功功率，一方面，可以控制風機的頻率以及相角，使得風機的電壓和電網的電壓的相位差為零，另一方面，可以對風機進行無功補償；此外，控制器102還將快速切換開關105斷開，投入隔離回路107，將風機和電網不完全隔離，保持風機和電網間的弱連接，減小低電壓穿越對風機的電壓和電流的沖擊，同時保證風機能夠正常地發電。此時，低電壓穿越改善裝置101相當于可控電子負載，通過吸能回路108完全地吸收風機發出的有功功率，并通過促同步回路109為風機提供必須的無功支持。步驟4，控制器102檢測三相電網任意一相的電壓是否在&內均高于所述電網的額定電壓的90 %，如果是，執行步驟5，否則，執行步驟6。步驟5，低電壓穿越k內結束，控制器102閉合快速切換開關105，旁路隔離回路 107，控制器102檢測到快速切換開關105閉合后，停止吸能回路108以及促同步回路109 的工作，風機經出線斷路器104、快速切換開關105和進線斷路器103向電網輸送有功功率， 恢復正常的向電網送電的狀態，完成低電壓穿越。步驟6，低電壓穿越k內未結束，說明此時電網發生了短時間內無法修復的故障，需要將低電壓穿越改善裝置101和風機都與電網斷開，即通過控制器102斷開進線斷路器 103以及出線斷路器104，低電壓穿越改善裝置101退出運行，風機也按要求退出運行。此外，在執行步驟2至步驟5的過程中，如果控制器102檢測到改善裝置101發生某些內部故障或裝置需檢修，控制器102將會閉合旁路開關106，斷開進線斷路器103和出線斷路器104，低電壓穿越改善裝置101退出運行，風機則通過旁路開關106正常向電網供 H1^ ο以上實施方式僅用于說明本發明，而并非對本發明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發明的范疇，本發明的專利保護范圍應由權利要求限定。
權利要求
1.一種低電壓穿越改善裝置，其特征在于，所述改善裝置包括一個控制器、一個進線斷路器、一個出線斷路器、一個快速切換開關、一個旁路開關、一個隔離回路、一個吸能回路和一個促同步回路，所述控制器分別與所述進線斷路器、所述出線斷路器、所述快速切換開關、所述旁路開關、所述吸能回路以及所述促同步回路相連，所述進線斷路器、所述隔離回路和所述出線斷路器依次串接于風機和電網間，所述快速切換開關并聯于所述隔離回路的兩端，所述旁路開關并聯于所述進線斷路器的上口和所述出線斷路器的上口，所述吸能回路以及所述促同步回路還連接在所述隔離回路與所述出線斷路器的下口的連線上，所述控制器，用于監測所述電網的電壓和電流以及所述風機的電壓和電流，還用于控制所述進線斷路器、所述出線斷路器、所述快速切換開關、所述旁路開關的閉合與斷開，及控制所述吸能回路和所述促同步回路的啟動與停止，所述進線斷路器和所述出線斷路器，用于當所述改善裝置發生故障或低電壓穿越k 內未結束時，把所述改善裝置與所述風機和所述電網隔離開，所述快速切換開關，用于發生低電壓穿越之時，投切所述隔離回路， 所述旁路開關，用于當所述改善裝置發生故障之時，旁路所述改善裝置， 所述隔離回路，用于發生低電壓穿越之時，隔離所述風機以及所述電網間的潮流，并保持所述風機和所述電網間的弱連接，所述吸能回路，用于消耗掉所述風機所發出的有功功率，維持所述風機的電壓穩定， 所述促同步回路，用于同步所述電網和所述風機的電壓相位。
2.根據權利要求1所述的低電壓穿越改善裝置，其特征在于，所述吸能回路包括一個半導體回路以及一個負載，所述半導體回路分別連接所述控制器和所述負載。
3.根據權利要求2所述的低電壓穿越改善裝置，其特征在于，所述半導體回路為晶閘管整流橋或二極管整流橋加IGBT軟開關。
4.根據權利要求2所述的低電壓穿越改善裝置，其特征在于，所述負載為電阻或電機。
5.根據權利要求1至4之一所述的低電壓穿越改善裝置，其特征在于，所述促同步回路為靜止同步補償器或TCR型靜止無功補償器。
6.根據權利要求5所述的低電壓穿越改善裝置，其特征在于，所述快速切換開關和所述旁路開關為快速永磁開關、接觸器、斷路器或晶閘管。
7.根據權利要求1所述的低電壓穿越改善裝置，其特征在于，所述快速切換開關和所述旁路開關為快速永磁開關、接觸器、斷路器或晶閘管。
8.一種低電壓穿越改善裝置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步驟 步驟1，閉合進線斷路器、出線斷路器和快速切換開關，斷開旁路開關，所述裝置被投入電網和風機間，步驟2，熱備用，控制器不間斷地監測所述電網的電壓和電流、所述風機的電壓和電流及所述進線斷路器、所述出線斷路器、所述快速切換開關和所述旁路開關的開關狀態，步驟3，當所述控制器檢測到所述電網任意一相電壓低于所述電網的額定電壓的90% 時，低電壓穿越發生，所述控制器啟動吸能回路，由所述吸能回路消耗掉所述風機發出的有功功率，同時，啟動促同步回路，使所述風機的電壓和所述電網的電壓的相位差為零，此外， 斷開所述快速切換開關，將隔離回路投入，保持所述風機和所述電網間的弱連接，步驟4，所述控制器檢測所述電網的任一相電壓是否在2s內均高于所述電網的額定電壓的90%，如果是，執行步驟5，否則，執行步驟6，步驟5，低電壓穿越k內結束，將所述快速切換開關閉合，之后，停止所述吸能回路和所述促同步回路的工作，所述風機經過所述出線斷路器、所述快速切換開關和所述進線斷路器向所述電網輸送有功功率，步驟6，低電壓穿越^內未結束，斷開所述進線斷路器以及所述出線斷路器，所述裝置退出運行，風機也退出運行。
9.根據權利要求8所述的低電壓穿越改善裝置的控制方法，其特征在于，在執行步驟2 至步驟5的過程中，所述控制器還檢測所述改善裝置是否發生內部故障或需檢修，如果是， 閉合所述旁路開關，斷開所述進線斷路器和所述出線斷路器，所述改善裝置退出運行，所述風機通過所述旁路開關正常向所述電網供電，否則繼續執行步驟2至步驟5。
10.根據權利要求8或9所述的低電壓穿越改善裝置的控制方法，其特征在于，所述吸能回路包括一個半導體回路和一個負載，所述控制器通過所述半導體回路，控制所述負載消耗掉所述風機所發出的有功功率。
全文摘要
本發明屬于風力發電技術領域，涉及一種低電壓穿越改善裝置及其控制方法。該裝置包括一個控制器、一個進線斷路器、一個出線斷路器、一個快速切換開關、一個旁路開關、一個隔離回路、一個吸能回路和一個促同步回路，發生低電壓穿越時，該裝置的控制方法通過吸能回路消耗掉風機發出的有功功率，并經過促同步回路同步風機和電網的電壓。本發明使得在低電壓穿越發生時，風機可以不脫離電網，保持不間斷地并網運行，實現對風力發電機組設備的保護并維持電網的穩定性。
文檔編號H02J3/38GK102290831SQ20111024455
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月24日 優先權日2011年8月24日
發明者張皎, 郭高朋, 齊澤鋒 申請人:北京博電新能電力科技有限公司